Физики наблюдали новый квантовый эффект, названный «гибридной топологией» в кристаллическом материале. Это открытие дает новый спектр возможностей для разработки эффективных материалов и технологий для квантовой науки и техники нового поколения.
Открытие было сделано, когда ученые из Принстона обнаружили, что твердый кристалл, состоящий из атомов мышьяка (As), обладает никогда ранее не наблюдавшейся формой топологического квантового поведения. Им удалось исследовать и отобразить это новое квантовое состояние с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) и фотоэмиссионной спектроскопии (последний метод используется для определения относительной энергии электронов в молекулах и атомах).
Это состояние объединяет или «гибридизирует» две формы топологического квантового поведения — краевые состояния и поверхностные состояния, которые представляют собой два типа квантовых двумерных электронных систем. Они наблюдались в предыдущих экспериментах, но никогда одновременно в одном и том же материале, где они смешивались, образуя новое состояние материи.
«Это открытие было совершенно неожиданным», — сказал Захид Хасан, профессор физики Юджина Хиггинса в Принстонском университете, который руководил исследованием. «Никто не предсказал это теоретически до того, как это наблюдалось».
В последние годы изучение топологических состояний материи привлекло значительное внимание физиков и инженеров и в настоящее время находится в центре большого интереса и исследований. Эта область исследования сочетает в себе квантовую физику с топологией — разделом теоретической математики, изучающим геометрические свойства, которые можно деформировать, но не изменить по сути.
На протяжении более десяти лет ученые использовали топологические изоляторы на основе висмута (Bi) для демонстрации и исследования экзотических квантовых эффектов в сыпучих твердых веществах, в основном путем производства сложных материалов, таких как, например, смешивание Bi с селеном (Se). Однако этот эксперимент — первый случай, когда топологические эффекты были обнаружены в кристаллах элемента As.
«Поиск и открытие новых топологических свойств материи стали одним из самых востребованных сокровищ в современной физике, как с точки зрения фундаментальной физики, так и для поиска потенциальных приложений в квантовой науке и технике следующего поколения», — говорит Захид Хасан.
«Открытие этого нового топологического состояния, созданного в элементарном твердом теле, стало возможным благодаря множеству инновационных экспериментальных достижений и приборов в нашей лаборатории в Принстоне».
Элементарное твердое тело служит бесценной экспериментальной платформой для проверки различных концепций топологии. До сих пор висмут был единственным элементом, имеющим богатую топологию, что привело к двум десятилетиям интенсивной исследовательской деятельности. Частично это объясняется чистотой материала и простотой синтеза. Однако нынешнее открытие еще более богатых топологических явлений в мышьяке потенциально проложит путь к новым и устойчивым направлениям исследований.
«Впервые мы демонстрируем, что, подобно различным коррелированным явлениям, отдельные топологические порядки также могут взаимодействовать и порождать новые и интригующие квантовые явления», — сказал Захид Хасан.
Топологический материал — это основной компонент, используемый для исследования тайн квантовой топологии. Устройство на его основе действует как изолятор внутри себя, а это означает, что электроны внутри не могут свободно перемещаться и, следовательно, не проводят электричество.
Однако электроны на краях устройства могут свободно перемещаться, а это означает, что они являются проводящими. Более того, благодаря особым свойствам топологии, электронам, текущим по краям, не препятствуют никакие дефекты или деформации. Устройства этого типа могут не только улучшить технологию, но и способствовать лучшему пониманию самой материи путем исследования квантово-электронных свойств.
Захид Хасан отметил, что существует большой интерес к использованию топологических материалов для практических приложений. Но прежде чем это можно будет реализовать, необходимо сделать две важные вещи. Во-первых, квантово-топологические эффекты должны проявляться при более высоких температурах. Во-вторых, необходимо найти простые и элементарные материальные системы (например, как кремний для традиционной электроники), которые могут поддерживать топологические явления.
«В наших лабораториях мы предпринимаем усилия в обоих направлениях — мы ищем более простые системы материалов с легкостью изготовления, в которых можно обнаружить важные топологические эффекты», — сказал Захид Хасан. «Мы также ищем, как можно добиться того, чтобы эти эффекты сохранились при комнатной температуре».
Исследование было опубликовано в журнале Nature.